Apprendere l'arte e la scienza della progettazione di alimentatori a commutazione

Il mio primo progetto come ingegnere elettrotecnico fresco di laurea nel 1975 è stato l'espansore di I/O HP 9878A per il PC desktop HP 9825A. Mi era stato dato l'incarico di progettare tutti gli aspetti elettronici lavorando in tandem con Jerry Nichols, l'ingegnere HP che si occupava della parte meccanica.

Un espansore di I/O, in teoria, è molto simile a uno degli hub USB di oggi. Prendete una porta I/O di un computer ed "espandetela" in più porte. Il compito dell'espansore di I/O HP 9878A consisteva nel prendere uno slot I/O e trasformarlo in sette slot. Visto che le schede I/O avevano tutte nomi in codice basati sulle spezie – Parsley, Sage e Rosemary (Prezzemolo, Salvia e Rosmarino) – il nome in codice per il progetto dell'espansore di I/O è diventato immediatamente "Spice Rack" (portaspezie). Spice Rack è stato introdotto nel 1976 (Figura 1).

Figura 1: L'espansore di I/O HP 9878A (circa 1976) utilizzava una regolazione lineare della potenza per i suoi alimentatori da 5, 12 e -12 V, perché i regolatori a commutazione a quei tempi erano ancora una forma d'arte. (Foto per gentile concessione di Steve Leibson)

Una parte del lavoro di progettazione riguardava l'alimentazione delle schede I/O inserite nei sette slot dell'espansore. Ogni scheda poteva assorbire un massimo di 500°mA dal rail regolato a 5°V degli slot I/O e 100°mA dai rail regolati a 12°V e -12°V. Perciò l'alimentatore dell'espansore di I/O doveva fornire 3,5 A a 5°V (oltre alla corrente di alimentazione da 5°V richiesta dalla circuiteria interna dell'espansore di I/O) e non più di 700°mA per gli alimentatori regolati a 12 e -12°V.

I requisiti dell'alimentazione a 12°V dell'HP 9878A potevano essere facilmente soddisfatti utilizzando i nuovi (all'epoca) regolatori a tre terminali µA7812 e µA7912 ma per l'alimentazione regolata a 5°V, che doveva fornire circa 4 A, non vi erano soluzioni semplici a portata di mano. Dopo una veloce ricerca, ho scelto il regolatore regolabile in CI µA723 in un contenitore TO-5 a dieci pin, che aveva bisogno di numerosi componenti ausiliari e di un transistor di potenza NPN esterno 2N3055 in un grande contenitore TO-3.

Per inciso: il regolatore in CI regolabile µA723, progettato nel 1967 dal leggendario Bob Widlar, si è rivelato decisamente durevole. Come molti dei progetti di CI analogici di Widlar, il regolatore µA723 si trova con facilità anche oggi. Niente male per un CI che ha mezzo secolo!

I regolatori a tre terminali e il transistor di potenza 2N3055 erano imbullonati a un pannello di alluminio saldamente fissato allo chassis in alluminio pressofuso dell'HP 9878 per la dissipazione del calore, mentre il regolatore regolabile µA723 su scheda disponeva di un piccolo dissipatore di calore a molletta. In questo progetto la dissipazione del calore non ha mai rappresentato un problema.

I regolatori µA7812 e µA7912 a tre terminali potrebbero essere la scelta giusta anche oggi, persino dopo quasi 45 anni, ma non userei più il regolatore regolabile µA723 e il pass transistor NPN esterno 2N3055. Per ridurre al minimo il calore disperso in eccesso, il progetto dell'alimentazione dell'HP 9878A necessitava di un trasformatore di potenza con avvolgimento personalizzato in modo tale che il rail di alimentazione c.c non regolata fosse solo un po' più alto del rail regolato a 5 V. A quei tempi HP disponeva di un proprio laboratorio di trasformatori e realizzare trasformatori con avvolgimento personalizzato non era un gran problema. Oggi è tutta un'altra storia: non userei un alimentatore lineare per questo compito.

Nel lontano 1975 gli alimentatore a commutazione erano ancora ai primordi. Si trattava più di una forma d'arte che di scienza, e c'erano pochi CI che potessero aiutare nella progettazione di alimentatori a commutazione. A dire il vero, non ne esisteva neppure uno. Oggi, anche se la scienza ha preso il sopravvento e vi sono molti regolatori di potenza a commutazione disponibili in CI, io rimango comunque del parere che la progettazione di un alimentatore a commutazione affidabile sia ancora in larga misura una forma di arte. Come in tutto, gli artisti devono prima padroneggiare le regole di base. Solo a quel punto le possono violare, e solo quando va a loro vantaggio.

Esistono molte risorse che vi possono aiutare ad apprendere l'arte e la scienza della progettazione di alimentatori a commutazione. I kit di valutazione e i materiali di studio associati sviluppati da Texas Instruments (TI) per la serie Power Management Lab Kit (PMLK) sono tra le migliori. La serie comprende:

Ciascuno di questi tre prodotti è corredato da una scheda di valutazione e da un manuale che tratta rispettivamente della progettazione dell'alimentazione a commutazione buck e boost e dei regolatori a bassa caduta di tensione (LDO). I regolatori a bassa caduta di tensione potrebbero servire anche nella progettazione di alimentatori a commutazione per ottenere più tensioni di alimentazione a bassa corrente regolata dall'alimentatore a commutazione regolato.

Tutti questi manuali TI contengono esperimenti basati sulle schede di valutazione. Se completerete tutti gli esperimenti nei tre manuali PMLK diventerete degli esperti nella scienza dell'alimentazione elettrica. Avrei voluto avere queste risorse 45 anni fa.

Informazioni su questo autore

Image of Steve Leibson Steve Leibson è stato System Engineer per HP e Cadnetix, Editor in Chief per EDN e Microprocessor Report, blogger tecnologico per Xilinx e Cadence (solo per citarne alcuni), e ha collaborato come esperto di tecnologia in due episodi di "The Next Wave with Leonard Nimoy". Da 33 anni collabora con molti progettisti allo sviluppo di sistemi migliori, più veloci e più affidabili.
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